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更新2022/06/08

バイポーラ型トランジスター

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能動素子の中で、増幅という機能を持つ部品が半導体で作られるトランジスタです。
昔は、真空管が能動素子の主流でしたが、IC化できるトランジスターが発明されてからはあっという間にトランジスターに切り替わりました。
トランジスターには、バイポーラ型、FET型、IGBT型、UJT型など多くの種類が存在します。
本章では、もっとも基本的であり現在も多く使われているバイポーラ型トランジスタについて簡単に説明します。

構造と回路記号

半導体には、N型半導体とP型半導体の2種類があります。
さらに、この2種類の半導体の組み合わせで、「NPN型」と「PNP型」のトランジスターがあります。
トランジスターの構造
トランジスタの3つの端子は、「エミッタ E」、「ベース B」、「コレクタ C」と呼ばれています。
NPN型とPNP型では流れる電流の向きが異なり、NPN型は B→E 、C→E の方向に流れ、PNP型は E→B、 E→C の方向に流れます。
NPNの場合、コレクタC及びベースBの電流が途中で合わさってエミッタEから流れ出すというように考えます。
PNPの場合は、逆にエミッタEから電流が流れ込み、ベースBとコレクタCに電流が分流して出ていくと考えます。
NPN型とPNP型のトランジスタとしての性質はどちらも同じですが、使用するうえでの電流の向きがNPN型のほうがわかりやすいため、エンジニアには好んでNPN型が使われます。

トランジスタの型名

昔の日本のJIS規格で、トランジスタの型名の頭に3文字の英数字を使うように規定されていました。
 2SA:高周波用PNPトランジスタ
 2SB:低周波用PNPトランジスタ
 2SC:高周波用NPNトランジスタ
 2SD:低周波用NPNトランジズタ
いまでは、型名はバラバラなので、選択するうえでの一応の目安という程度です。

機能と用途

トランジスターの最も大きな特徴は、電流を増幅する機能です。
小さな電流をベースに流すと、コレクタに何倍にも増幅された電流が流れます。
抵抗器などの受動素子に比べ、大変大きな違いです。
その特性を利用して、例えばマイクの微小電流を大きく増幅し、スピーカーから大音量で流すことができるアンプ回路や、ラジオやテレビなどの微小な電波信号を大きく増幅するなど、その応用範囲は非常に多岐にわたります。
また、飽和領域を利用した電子スイッチング用途にも応用されています。
この電子スイッチは、デジタル回路などに利用されており、デジタルICやマイコンなどで必須の技術です。

形状

他のデバイスと同じく、大きく分けてリードタイプと表面実装(チップ)タイプの2種類です。
形状は世界各国の工業規格で決められていますが、何百種類もあるため形状は必ず仕様書で確認してください。

特性

トランジスターの各特性の中で、重要と思うものを挙げます。

・絶対最大定格
絶対最大定格は、どんな場合でも一瞬でも超えてはいけないとされています。
このため、最悪条件でも超えないように余裕をもって回路設計・使用しなければなりません。
 コレクタ・ベース間電圧 VCBO
 コレクタ・エミッタ間電圧 VCEO
 エミッタ・ベース間電圧 VEBO
 コレクタ電流 I
 ベース電流 I
 コレクタ損失 P
 接合温度 T
 保存温度 Tstg
絶対最大定格は、周囲温度により変化するため、設計で考慮が必要です。

・直流電流増幅率 hFE
トランジスターの増幅機能は以下の式で表現できます。
 コレクタ電流=ベース電流×hFE
この直流電流増幅率は、同じ品番のトランジスタであっても、個体差がかなり大きいパラメータで、例えば、有名な2SC1815(東芝製)は70~700となります。
しかし、これほど幅が大きいと使用する上で大変困るので、選別ランク分けしたものを普通は使います。

・コレクタ・エミッタ間飽和電圧 VCE(sat)
トランジスタを飽和領域にした場合のコレクタ・エミッタ間電圧で、スイッチング用途では、その大小が重要になります。
上記2SC1815では、条件にもよりますが約0.2Vです。

・トランジジョン周波数 f
トランジスターの増幅率が1になる周波数を言います。
スイッチングや高周波増幅などでは、特に注意しなければならないパラメータです。
通常は、このトランジジョン周波数の数分の1以下の周波数で使用します。

負荷を制御する

トランジスターのエミッタ接地回路
上記回路は、トランジスターの使い方の中でも最もポピュラーなエミッタ接地という回路です。
に、マイクやセンサー信号など、微小信号を印加することで、Rに何倍もの電流信号を流すことができます。
このR(負荷)は、トランジスタを使って動作・駆動させたい電子部品で、たとえば、抵抗・LED・リレーコイル・スピーカーなどがあります。

トランジスタの動作領域

トランジスタには、大きく分けて3つの動作領域があります。

・第1の領域(カットオフ領域)
ベース電流 I が流れていない領域で、コレクタ電源電圧(VCC、VEE)を加えてもコレクタ電流 I は流れません。

・第2の領域(能動領域)
第1の状態からベース電流を増加させると、コレクタ電流がそれに応じて増加して行くようになる領域です。
そして、コレクタ・エミッタ間電圧 VCE は低く変化していきます。

第3の領域(飽和領域)
第2の状態からベース電流を更に増加し続けると、ベース電流を増やしてもコレクタ電流が増加しない現象が起きる領域です。
このときコレクタ・エミッタ間電圧VCEは、大変低くなりほぼゼロV近くまで小さくなります。

これら3領域は使われる用途が異なり、能動領域はオーディオ信号などアナログ信号の増幅回路に使われます。
カットオフ領域と飽和領域は、電子スイッチングやデジタル回路に使います。

コレクタ消費電力(コレクタ損失)

トランジスターは、当然ですがコレクタ電流を流せば、電力を消費します。
 消費電力量 P = VCE×I
コレクタで消費する電力は、全て熱になるので、大きな電流が流れる場合は焼けつくなどの問題が起きやすくなります。
放熱には、十分注意が必要です。
この消費電力Pは、電力が熱になって失われてしまうことから、コレクタ損失と呼ばれています。

また、トランジスターの許容できるコレクタ損失値は、トランジスタの放熱や周囲温度によって異なります。
トランジスターの許容損失特性グラフ
グラフは、トランジスタの許容損失特性です。
周囲温度が25℃を超えると、許容損失はどんどん小さくなっていき、150℃ではゼロになります。
C1 は、放熱板を取り付けて熱を外部に逃がした場合です。
C2 は、放熱板なしのトランジスター単体で使った場合です。
熱を放熱器などで逃がしてやれば、許容できる損失が大きくなることがわかります。

本文に出てくるIやVBEなど、なんのこっちゃ?と思っていませんか?
これらは、回路エンジニアが使う記号で、一定のルールのもとに記述されています。
たとえば、直流電流は I 、そしてトランジスターのコレクターに流れる電流は、小さなを添付して I と書きます。
こうすると、この記号はコレクタに流れる直流電流のことなのだとわかるわけです。
では、VBEはどういう意味でしょうか?
はい、ご推察の通り直流電圧VにベースBとエミッタEを表す文字がついているのでベースとエミッタ間の電圧を表します。
その他にも、ベース電流はI、コレクタエミッタ間電圧はVCEですね。
尚、コレクタ損失はPCEと書いてもいいような気がしますが、熱が発生しているのがコレクタ側の接合面ということもあり、Pと書かれます。

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教えてくれてありがと~。今後の参考にするよ~ 

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電子回路とファームウェア専門の元エンジニアが、初心者の頃の疑問や勉強・経験で知った「そうだったのか」を2009年から書いています。

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